基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車(chē)設(shè)計(jì)

PAGE畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車(chē)設(shè)計(jì)系別自動(dòng)化工程系專(zhuān)業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)姓名指導(dǎo)教師

東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1頁(yè)基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車(chē)設(shè)計(jì)摘要本論文以第四屆全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能車(chē)競(jìng)賽為基礎(chǔ)，圍繞飛思卡爾單片機(jī)MC9S12DG128B，通過(guò)一個(gè)CMOS攝像頭檢測(cè)模型車(chē)的運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)方向，用光電傳感器檢測(cè)模型車(chē)的速度并使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的方向，完成對(duì)模型車(chē)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們自行設(shè)計(jì)了硬件電路板，在總結(jié)了設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，我們將電源設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)做了很大的調(diào)整，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試對(duì)比后，在電源模塊選用了更加穩(wěn)定的線性電源模塊TPS7350；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由最初組委會(huì)提供的單片MC33886發(fā)展到了由分立元件制作的可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)H橋電路，額定工作電流可以輕易達(dá)到70安以上，相對(duì)于MC33886能提供的最大6A的電流來(lái)說(shuō)，大大提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在軟件設(shè)計(jì)上我們使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的方向，并通過(guò)識(shí)別路徑對(duì)參數(shù)進(jìn)行更改，完成對(duì)模型車(chē)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行。關(guān)鍵詞：智能車(chē)，MC9S12DG128，CMOS攝像頭，PID

東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第42頁(yè)TheDesignandResearchofIntelligentVehicleBasedon16-bitMCUMC9S12DG128BAuthor：LiYinanTutor：MashuhuaAbstractWewilldemonstrateaintelligentvehiclesystembasedonthemicro-controllerunitMC9S12DG128inthispaper，throughaCMOScameramovementdetectionmodelvehiclesthelocationandmovementdirection,photoelectricsensordetectionmodelwiththespeedofvehiclesandusethePIDcontrolalgorithmforadjustmentdrivemotorspeedanddirectionofthesteeringgear,modelcarstocompletethemovementspeedanddirectionofmovementoftheclosed-loopcontrol.Insystemdesign,wedesignahardwarecircuitboard,attheconclusionofthedesignlessonslearnedintheprocess,wewillsupplythedesignandmotordrivedesignhasdonealotofadjustment,contrast,afterrepeatedtests,thepowersupplymoduleintheselectedmorestablelinearpowersupplymoduleTPS7350;motordrivemodulesprovidedbytheorganizingcommitteefromtheinitialdevelopmentoftheMC33886single-chipdiscretecomponentsproducedbythereversiblebipolarH-bridgedriverbridgecircuit,ratedoperatingcurrentcaneasilyreachmorethan70A,therelativewiththeMC33886canprovidethegreatest6AKeyWords:IntelligentVehicle，MC9S12DG128B，CMOScamera，PID目錄1緒論 11.1 智能車(chē)競(jìng)賽背景介紹及意義 11.2 智能車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及方案分析 11.3 系統(tǒng)章節(jié)安排 32 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 42.1 以S12為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng) 42.2 電源穩(wěn)壓電路 72.3 攝像頭 82.4 攝像頭采集模塊 82.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 92.6 速度傳感器 142.7 加速度傳感器 152.8 去抖動(dòng)電路 163 圖像采集 183.1 CCD攝像頭和CMOS攝像頭 183.2 視頻信號(hào)傳輸格式 193.3 圖像采集算法 203.4 圖像處理算法 223.5 根生長(zhǎng)法黑線軌跡提取 234 道路類(lèi)型識(shí)別及決策與控制 274.1 直道識(shí)別 274.2 彎道識(shí)別 294.3 小S道識(shí)別 304.4 大S道識(shí)別 324.5 方向決策與控制 324.6 速度決策與控制 345 系統(tǒng)調(diào)試 355.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 355.1.1CodeWarriorIDE 355.1.2調(diào)試器 365.2 輔助調(diào)試工具 365.2.1LED指示燈 365.2.2撥碼開(kāi)關(guān) 375.2.3無(wú)線調(diào)試模塊 375.2.4示波器 38結(jié)語(yǔ) 39致謝 40參考文獻(xiàn) 41附錄 421緒論智能車(chē)競(jìng)賽背景介紹及意義全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能車(chē)競(jìng)賽是教育部主辦的面向全國(guó)大學(xué)生的五大賽事之一（另外四個(gè)：數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）。全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽是在競(jìng)賽組委會(huì)提供的統(tǒng)一汽車(chē)模型平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過(guò)設(shè)計(jì)道路識(shí)別傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編寫(xiě)相應(yīng)軟件及裝配模型車(chē)，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車(chē)，按照規(guī)定路線（路線賽前未知）行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。Freescale公司是目前全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司之一，它為汽車(chē)電子、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線市場(chǎng)設(shè)計(jì)并制造了眾多的嵌入式半導(dǎo)體產(chǎn)品，擁有多達(dá)19000種產(chǎn)品。Freescale公司是全球十大芯片制造商之一，在8位、16位和32位微控制器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。智能汽車(chē)競(jìng)賽所使用的自動(dòng)控制器是以單片機(jī)MC9S12DG128為核心，配合有傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，它能夠自主識(shí)別路徑，控制模型車(chē)高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。比賽按照賽車(chē)進(jìn)行道路檢測(cè)方式的不同分為光電組和攝像頭組，如果賽車(chē)使用了透鏡成像原理進(jìn)行道路檢測(cè)則屬于攝像頭組，其余屬于光電組。全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽已經(jīng)成功舉辦了四屆，比賽規(guī)模不斷擴(kuò)大、比賽成績(jī)不斷提高。通過(guò)比賽，促進(jìn)了高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)了大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)了大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能,倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造了條件。智能車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及方案分析智能車(chē)競(jìng)賽已成功舉辦了四屆，水平越來(lái)越高，每一屆都能有很多創(chuàng)意值得學(xué)習(xí)，也會(huì)有一些教訓(xùn)需要吸取。我們對(duì)所能找到的資料進(jìn)行了認(rèn)真的分析和總結(jié)，從而確定了我們的設(shè)計(jì)思路。首先，采用低重心設(shè)計(jì)。前幾屆的比賽中，不乏因重心過(guò)高而翻車(chē)的例子。重心成了進(jìn)一步加快智能車(chē)彎道速度的限制之一。反觀一些速度很快的賽車(chē)，重心一般都比較低（有個(gè)別例外）。因此，盡可能降低重心成為我們?cè)O(shè)計(jì)智能車(chē)過(guò)程中始終重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。對(duì)智能車(chē)重心影響最大的當(dāng)屬攝像頭及其支架；支架選擇輕質(zhì)材料制作，且在不影響道路識(shí)別的情況下，盡量降低支架高度。還可以通過(guò)減小PCB版面積，低位安裝來(lái)降低重心。第二，提高圖像的分辨率，增強(qiáng)攝像頭及算法對(duì)光線的適應(yīng)性。在賽場(chǎng)上，智能車(chē)因無(wú)法適應(yīng)場(chǎng)地光線，從而無(wú)法完成比賽，是一件很可惜的事情。我們從攝像頭的選型到程序的編寫(xiě)，再到平時(shí)的調(diào)試，始終注意了提高智能車(chē)道路檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地光線的適應(yīng)性。我們選用了CMOS攝像頭，它一方面可以提供很高的分辨率，另一方面對(duì)光線的適應(yīng)性也很好。第三，在算法設(shè)計(jì)上，要實(shí)現(xiàn)“抄近道”的跑法。所謂“抄近道”，是指智能車(chē)并不是嚴(yán)格沿著黑線行進(jìn)，而是在保證不犯規(guī)的情況下，走最短的路徑?！俺馈币簿褪锹窂絻?yōu)化。如何實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化，是我們軟件設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一。最后，減輕車(chē)重、調(diào)整車(chē)模機(jī)械結(jié)構(gòu)、也可以有效地提高智能車(chē)的平均速度。在智能車(chē)硬件電路的設(shè)計(jì)上，我們采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。將整個(gè)系統(tǒng)分為最小系統(tǒng)板、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模塊等若干模塊。每個(gè)模塊只負(fù)責(zé)完成特定的功能，與其他模塊之間相對(duì)獨(dú)立。這種“分而治之”的模塊化硬件設(shè)計(jì)思想，把復(fù)雜的系統(tǒng)分為若干功能模塊，方便了小組內(nèi)進(jìn)行分工設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于進(jìn)行了模塊化劃分，電路規(guī)模也相對(duì)變小了，減小了出錯(cuò)的幾率，增大了成功率。在前期開(kāi)發(fā)階段，可以對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。保持各模塊間接口定義不變，各模塊可以單獨(dú)升級(jí)換代，具有一定的通用性。在調(diào)試過(guò)程中，每一模塊均有備件，且拆裝替換方便。如果某一模塊出故障或需要升級(jí)，可以馬上替換，不會(huì)出現(xiàn)因一點(diǎn)小故障導(dǎo)致調(diào)試工作無(wú)法進(jìn)行的問(wèn)題。這也保證了我們的調(diào)試進(jìn)度。比如：我們針對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行了改進(jìn)；此外，對(duì)數(shù)字?jǐn)z像頭模塊也進(jìn)行過(guò)改進(jìn)，提高了圖像的質(zhì)量。這些改動(dòng)都沒(méi)有對(duì)我們的調(diào)試進(jìn)度產(chǎn)生大的影響。對(duì)于系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，我們也力圖使軟件模塊化、層次化。在程序中，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的.h和.c文件負(fù)責(zé)和硬件的接口。如果在調(diào)試中改動(dòng)了硬件，只需改變這兩個(gè)文件中的部分設(shè)置，其他部分程序不需要改動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)方便了我們調(diào)試軟件，提高了代碼的可重用性，也減小了出錯(cuò)的幾率。系統(tǒng)章節(jié)安排本文在第二章對(duì)MC9S12DG128單片機(jī)各個(gè)模塊進(jìn)行介紹，第三章介紹攝像頭的信號(hào)傳輸并對(duì)攝像頭信號(hào)的采集進(jìn)行研究，第四章介紹路徑識(shí)別與控制相關(guān)內(nèi)容，第五章介紹軟件環(huán)境及硬件輔助工具。

硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)按照比賽要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了整個(gè)硬件電路的結(jié)構(gòu)圖，如圖3.1所示。系統(tǒng)力求簡(jiǎn)單高效，在滿足比賽要求的情況下，使硬件結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，減少因硬件而出現(xiàn)的問(wèn)題。圖2.1智能車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以S12為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)板使用MC9S12DG128單片機(jī)，80引腳封裝。MC9S12DG128是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增強(qiáng)型16位微控制器。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等。它不僅在汽車(chē)電子、工業(yè)控制、中高檔機(jī)電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的用途，而且在FLASH存儲(chǔ)控制及加密方面也有很強(qiáng)的功能。MC9S12DG128微控制器采用增強(qiáng)型16位S12CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)資源包括8KBRAM、128KBFLASH、2KBEEPROM;SCI、SPI、PWM串行接口模塊；PWM模塊可設(shè)置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇邏輯始終頻率；它還提供2個(gè)8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)模塊CAN和增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模式（BDM）.下面主要介紹S12系列的特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu)、引腳功能、操作模式、振蕩電路、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、實(shí)時(shí)中斷、復(fù)位電路等。（1）S12的核心：-16位S12CPU：20位ALU,指令隊(duì)列，增強(qiáng)型索引尋址；-多種外部總線接口（MEBI）；-模塊映射控制機(jī)制（MMC）；-中斷控制（INT）；-斷點(diǎn)（BKP）;-背景調(diào)試模塊（BDM）。（2）CGR時(shí)鐘和復(fù)位發(fā)生器：-鎖相環(huán)（PLL）；-看門(mén)狗（COPwatchdog）；-實(shí)時(shí)中斷（RTI）；-時(shí)鐘監(jiān)視器（CM）。（3）帶中斷功能的8位和4位端口：-可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)。（4）存儲(chǔ)器：-128KBFLASH；-2KBEEPROM；-8KBRAM。（5）2個(gè)8通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器：-10位精度；-外部觸發(fā)轉(zhuǎn)變功能。（6）3個(gè)1Mbps的CAN總線模塊，兼容CAN2.0A/B：-5個(gè)接受緩沖器，3個(gè)發(fā)送緩沖器；-4個(gè)獨(dú)立的中斷通道，分別是發(fā)送中斷、接受中斷、錯(cuò)誤中斷和喚醒中斷；-低通濾波器喚醒功能。（7）增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器：-16位計(jì)數(shù)器，7位預(yù)分頻功能；-8個(gè)可編程輸入捕捉或輸出比較通道；-4個(gè)8位或2個(gè)16位脈沖累加器。（8）8個(gè)PWM通道：-每個(gè)通道的周期和占空比由程序決定；-8位8通道或16位4通道；-各通道獨(dú)立控制；-脈沖在周期內(nèi)中心對(duì)稱(chēng)或左對(duì)齊輸出；-可編程時(shí)鐘選擇邏輯；-緊急事件關(guān)斷輸入；-可作為中斷輸入。（9）串行口：-2個(gè)異步串行通信接口（SCI）；-2個(gè)同步串行設(shè)備接口（SPI）；-Byteflight模塊。（10）I2C總線：-兼容I2C總線標(biāo)準(zhǔn)；-多主I2C總線模塊。（11）LQFP-112和QFP-80封裝選擇：-5V輸入和帶驅(qū)動(dòng)能力I/O；-5VA/D轉(zhuǎn)換器輸入；-50MHz系統(tǒng)頻率（相當(dāng)于25MHz總線頻率）；-單線背景調(diào)試模塊；-片上硬件斷點(diǎn)。圖2.2最小系統(tǒng)電源穩(wěn)壓電路本系統(tǒng)中電源穩(wěn)壓電路有三路，一路為+5V穩(wěn)壓電路，第二路為+9V穩(wěn)壓電路。為整個(gè)智能模型車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)中除后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)外的所有設(shè)備供電。其中+5V穩(wěn)壓電路采用TPS7350。TPS7350是微功耗低壓差線性電源芯片，具有完善的保護(hù)電路，包括過(guò)流、過(guò)壓、電壓反接保護(hù)。使用這個(gè)芯片只需要極少的外圍元件就能構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。TPS7350具有較低的工作壓降和更小的靜態(tài)工作電流，可以使電池獲得相對(duì)更長(zhǎng)的使用時(shí)間。由于熱損失小，因此無(wú)需專(zhuān)門(mén)考慮散熱問(wèn)題。圖2.3TPS7350電源穩(wěn)壓電路為了保證單片機(jī)在低電壓供電時(shí)的可靠性，我們進(jìn)一步選擇DC/DC電源穩(wěn)壓電路。DC/DC是開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路，它的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電源的高頻干擾有較強(qiáng)的抑制作用、效率高，輸入電壓的范圍寬，輸出電壓，電流的紋波值較小。DC/DC電源穩(wěn)壓電路原理圖如圖3.4所示：圖2.4DC-DC穩(wěn)壓電路原理圖整個(gè)系統(tǒng)中只有攝像頭采用9V電壓，因?yàn)樽约涸O(shè)計(jì)的可調(diào)的電源穩(wěn)壓電路使用的元器件比較多，在設(shè)計(jì)PCB電路板的時(shí)候會(huì)占用很大的空間，所以我們使用了比較簡(jiǎn)單的辦法，直接用DC-DC為攝像頭供電，電路圖和2.4相同，只是采用的是0509的型號(hào)。輸入電壓相同，輸出電壓不同而已。舵機(jī)的工作電壓為4-6V,在舵機(jī)穩(wěn)定工作的前提下，電壓越高舵機(jī)的響應(yīng)速度越高。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了6V的工作電壓，并保留了電池電壓的接口。6V的電壓采用TPS7350芯片，在接地端串聯(lián)兩個(gè)二極管，使端電壓抬高1V。電路圖不再重復(fù)。攝像頭在選擇攝像頭時(shí)，我們對(duì)目前可選的各種攝像頭進(jìn)行了比較和實(shí)驗(yàn)。目前市面上常見(jiàn)的攝像頭主要有CMOS和CCD兩種，上屆比賽我們采用的是CCD攝像頭。CCD攝像頭具有對(duì)比度高、動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)，但需要工作在12V電壓下，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)過(guò)于耗電，且圖像穩(wěn)定性不高；CMOS攝像頭體積小，耗電量小，圖像穩(wěn)定性較高。因此，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證之后我們決定采用CMOS攝像頭。對(duì)于CMOS攝像頭又分?jǐn)?shù)字和模擬兩種。在華北區(qū)預(yù)賽中，我們看到有不少隊(duì)采用了數(shù)字?jǐn)z像頭的方案，本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，我們?cè)陬A(yù)賽之后選用了OV7620進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)字?jǐn)z像頭的可行性進(jìn)行論證。實(shí)驗(yàn)之后，得出結(jié)論：數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620可以直接輸出8路數(shù)字圖像信號(hào)，使主板硬件電路的簡(jiǎn)化成為可能，且能夠達(dá)到60幀/S的幀速率，但需要對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，且受環(huán)境影響較大，適應(yīng)性較差。因此，最終我們采用了CMOS模擬圖像傳感器方案。最終采用的SS2000A-2/B-2攝像頭具體參數(shù)如下：攝像頭參數(shù)：320線；照度：0.5LUX0.01LUX；輸出制式：PAL制式標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)；鏡頭及視角：3.6mm92°；供電電壓/消耗功率：9V20mA；攝像頭采集模塊我們使用了LM1881芯片對(duì)黑白全電視信號(hào)進(jìn)行視頻同步分離，得到行同步、場(chǎng)同步信號(hào)。由LM1881及其外圍電路構(gòu)成的攝像頭采樣電路如圖2.5所示。攝像頭視頻信號(hào)端接LM1881的視頻信號(hào)輸入端，同時(shí)也接入S12的一路AD轉(zhuǎn)換端口（選用AD0）。LM1881的行同步信號(hào)端（引腳1）接入外部中斷引腳（IRQ），同時(shí)將LM1881的場(chǎng)同步信號(hào)和奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)輸入到ECT模塊中（選用PT1，PT2），這樣，既可以采用查詢(xún)方式獲取奇偶場(chǎng)信號(hào)跳變，又可以采用脈沖捕捉方式獲取電平變化。通過(guò)這樣的接線，為軟件開(kāi)發(fā)提供了多種選擇的機(jī)會(huì)，使程序更加靈活。圖2.5視頻同步分離電路其中，引腳2為視頻信號(hào)輸入端，引腳1為行同步信號(hào)輸出端。引腳3為場(chǎng)同步信號(hào)輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)的場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)，該端將變?yōu)榈碗娖?，一般維持230us，然后重新變回高電平。引腳7為奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場(chǎng)時(shí)，該端為高電平，當(dāng)處于偶場(chǎng)時(shí)，為低電平。事實(shí)上，不僅可以用場(chǎng)同步信號(hào)作為換場(chǎng)的標(biāo)志，也可以用奇-偶場(chǎng)間的交替作為換場(chǎng)的標(biāo)志。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路第一代驅(qū)動(dòng)電路采用一片組委會(huì)提供的MC33886驅(qū)動(dòng)電機(jī)。33886作為一個(gè)單片電路H橋，是理想的功率分流直流馬達(dá)和雙向推力電磁鐵控制器。它的集成電路包含內(nèi)部邏輯控制,電荷泵,門(mén)控驅(qū)動(dòng),及低讀選通(on)金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出電路。33886能夠控制連續(xù)感應(yīng)直流負(fù)載上升到5.0安培，輸出負(fù)載脈寬調(diào)制(PWM-ed)的頻率可達(dá)10千赫一個(gè)故障狀態(tài)輸出可以報(bào)告欠壓,短路,過(guò)熱的情況。兩路獨(dú)立輸入控制兩個(gè)半橋的推拉輸出電路的輸出，兩個(gè)無(wú)效輸入使H-橋產(chǎn)生三態(tài)輸出(呈現(xiàn)高阻抗)。33886制定的參數(shù)范圍是-40°C≤TA≤125°C特點(diǎn)?與MC33186DH1類(lèi)似的增強(qiáng)特性?5.0v至40v連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)?120mΩRDS(ON)H橋MOSFETs?TTL/CMOS兼容輸入?PWM的頻率可達(dá)10千赫?通過(guò)內(nèi)部常定時(shí)關(guān)閉對(duì)PWM有源電流限制(依靠降低溫度的閾值)?輸出短路保護(hù)?欠壓關(guān)閉?故障狀況報(bào)告33886簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示:圖2.6MC33886芯片內(nèi)部封裝圖芯片的封裝如圖2.7所示：圖2.7MC33886芯片外部引腳的封裝圖各個(gè)引腳的功能如表2.8所示：表2.8MC33886引腳對(duì)應(yīng)功能列表終端終端名稱(chēng)正式名稱(chēng)定義1AGND模擬接地低電流模擬信號(hào)接地2FSH橋故障狀態(tài)故障狀態(tài)場(chǎng)效應(yīng)管低電平有效，要求上拉電阻上升到5V3IN1邏輯輸入控制1實(shí)際邏輯輸入控制的1口4，5，16V+電源供電正電源連接6，7OUT1H橋輸出1H橋輸出18，20DNC靜止連接在應(yīng)用中不連接或者接地9-12PGND電源接地裝置電流高功率接地13D2無(wú)效2輸入低電位有效，用于使兩個(gè)H橋輸出同時(shí)三態(tài)無(wú)效。當(dāng)D2為邏輯低，輸出都是三態(tài)14，15OUT2H橋輸出2H橋輸出217CCP電荷泵電容器外部充電電容器連接內(nèi)部電荷泵電容器18D1無(wú)效1輸入低電位有效，用于使兩個(gè)H橋輸出同時(shí)三態(tài)無(wú)效。當(dāng)D1為邏輯低，輸出都是三態(tài)19IN2邏輯輸入控制2實(shí)際邏輯輸入控制的2口在調(diào)速過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，芯片內(nèi)通過(guò)電流太大，MC33886發(fā)熱量很大，導(dǎo)致MC33886的FS引腳置位，從而使其不工作，反向制動(dòng)后這種情況更為嚴(yán)重。第二代驅(qū)動(dòng)電路改用兩片MC33886并聯(lián)，使用兩片MC33886將堵轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)電流的極限值提升了，這需要在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)采用合理的布線方案，以提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)還要為MC33886添加散熱盤(pán)，降低其工作時(shí)的溫度；為增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了第三代驅(qū)動(dòng)電路。第三代電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為一個(gè)由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器，其功率元件由四支N溝道功率MOSFET管組成，額定工作電流可以輕易達(dá)到70A以上，相對(duì)與MC33886能提供的最大6A由功率MOSFET管搭建的驅(qū)動(dòng)電路原理如圖2.8所示：圖2.8由MOSFET管構(gòu)成的H型PWM變換器電路直流電機(jī)脈寬調(diào)速通過(guò)改變控制電壓的脈沖寬度來(lái)改變加在直流電機(jī)上的平均電樞電壓的大小,從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖3.13所示為可逆的PWM變換器主電路的H型結(jié)構(gòu)形式。圖中,4個(gè)MOSFET管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組,其中Q2L和Q1H為一組,當(dāng)Q2L接收PWM信號(hào)導(dǎo)通時(shí),Q1H常開(kāi);而Q2H和Q1L截止。這時(shí),電機(jī)兩端得到電壓而旋轉(zhuǎn),而且占空比越大,轉(zhuǎn)速越高。由于直流電機(jī)是一個(gè)感性負(fù)載,當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí),電機(jī)中的電流不能立即降到零,所以必須給這個(gè)電流提供一條釋放通路,否則將產(chǎn)生高壓破壞器件。處理這種情況的通常方法是在MOSFET管旁邊并聯(lián)一個(gè)二極管,使電流流過(guò)二極管,最后通過(guò)歐姆耗散的方式在二極管中消失。對(duì)于大電流,耗散是重要的排放方法。這里必須使用高速二極管。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)道理相同。TD340的模擬輸入控制電路如圖2.9所示。圖2.9TD340的模擬輸入控制電路TD340驅(qū)動(dòng)器芯片是ST微電子公司推出的一種用于直流電機(jī)的控制器件,TD340芯片是N溝道功率MOS管驅(qū)動(dòng)器，適合于直流電機(jī)控制。圖2.10為T(mén)D340的輸入電壓與輸出PWM間的特性曲線。該器件內(nèi)集成有可驅(qū)動(dòng)N溝道高邊功率MOS管的電荷泵和內(nèi)部PWM發(fā)生器,可進(jìn)行速度和方向控制而且功耗很低，同時(shí)具有過(guò)壓(>20V)、欠壓(<6.2V)保護(hù)功能，以及反向電源有源保護(hù)功能。TD340內(nèi)含可調(diào)的頻率開(kāi)關(guān)(0～25kHz)及待機(jī)模式，且集成有看門(mén)狗和復(fù)位電路。除此之外，TD340芯片還具有H橋直流電機(jī)部分和微控制器之間的必要接口。直流電機(jī)的速度和方向可由外界輸入給TD340的信號(hào)來(lái)控制。其中速度由PWM來(lái)控制，當(dāng)然，也可以接受外部的PWM信號(hào)。當(dāng)TD340的CF端通過(guò)電容接地時(shí),0～5V的模擬輸入即可產(chǎn)生PWM輸出。實(shí)際上,當(dāng)CF端直接接地時(shí),輸入TD340的數(shù)字信號(hào)就可直接產(chǎn)生PWM信號(hào)。圖2.10TD340的電壓-占空比特性曲線本文所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2.11所示。該系統(tǒng)由信號(hào)輸入電路、TD340和H橋電路組成。TD340用于構(gòu)成PWM發(fā)生器,功率放大電路是由4個(gè)MOSFET管組成的H橋電路。圖2.11直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖圖2.12為本系統(tǒng)中直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖,圖中的MOSFET管采用STP100NE04L。STP100NE04L的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快,通路電阻低和電壓門(mén)信號(hào)低,適合于大電流和低電壓運(yùn)行。當(dāng)加上一個(gè)足夠的門(mén)信號(hào)電壓時(shí),功率MOSFET的通路電阻小于常規(guī)二極管；而在沒(méi)有門(mén)信號(hào)電壓的情況下,它具有常規(guī)二極管的反向特性。開(kāi)關(guān)K用于控制直流電機(jī)M的正反轉(zhuǎn)。開(kāi)關(guān)向上時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn);開(kāi)關(guān)向下時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)。可調(diào)電阻R1用于調(diào)節(jié)TD340的模擬電壓輸入值,進(jìn)而輸出可調(diào)PWM信號(hào),同時(shí)給MOSFET的門(mén)極施加開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)并通過(guò)調(diào)節(jié)占空比的大小來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)M的轉(zhuǎn)速。電阻R1～R4用于控制MOS門(mén)的升降時(shí)間,也有利于避免門(mén)電壓的振蕩,門(mén)電壓的振蕩通常是與門(mén)電容處的連接線的平行電感所引起的。R1～R4的值通常為10～100Ω。電容C6用于存儲(chǔ)能量并對(duì)通過(guò)電橋的電壓進(jìn)行濾波。在電壓上升和下降期間,為了保證系統(tǒng)的可靠性,可在兩個(gè)低端MOS管的門(mén)極各接一個(gè)下拉電阻以確保電橋保持關(guān)斷,但高端MOS管不能接下拉電阻,因?yàn)殡姾杀貌荒転槠涮峁┍匾碾娏?。圖2.12直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖經(jīng)試驗(yàn)證明，由TD340和H橋構(gòu)成的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有元件需求少、所占空間小,裝配成本低等優(yōu)點(diǎn)。此電路可靠性高、控制方便,具有較高的實(shí)用價(jià)值。速度傳感器由于我們?cè)跍y(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)智能車(chē)在實(shí)際速度控制中對(duì)反應(yīng)車(chē)速的控制信號(hào)波形要求不是太高，因此在滿足比賽要求的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化電路，使用自制的光電編碼器來(lái)測(cè)速。我們使用線切割在直徑為30mm的圓盤(pán)周?chē)庸こ?0個(gè)細(xì)縫，使用紅外光電對(duì)射管作為采集碼盤(pán)脈沖可鑒向的傳感器，在實(shí)際測(cè)試中得到了較好的效果。速度傳感器實(shí)物圖如圖2.7所示：圖2.7測(cè)速安裝方式加速度傳感器由于決賽的賽道增加了坡道，而賽車(chē)在通過(guò)坡道時(shí)由于車(chē)體上仰，攝像頭有一定時(shí)間無(wú)法掃描到賽道，這段時(shí)間內(nèi)很難對(duì)舵機(jī)做出正確的控制，因此在高速通過(guò)坡道時(shí)很有可能會(huì)出現(xiàn)跌落坡道的危險(xiǎn)；同時(shí)，如果通過(guò)坡道速度過(guò)快，賽車(chē)會(huì)飛離賽道，當(dāng)賽車(chē)再次回到賽道時(shí)產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)會(huì)對(duì)賽車(chē)狀態(tài)產(chǎn)生極大影響。在第四屆的比賽規(guī)則中又增加了窄賽道和0.5cm的圖2.8模型小車(chē)坐標(biāo)系示意圖為了準(zhǔn)確識(shí)別坡道和窄賽道，我們采用了加速度傳感器MMA7620Q。圖2.9加速度傳感器電路MMA7620芯片能夠以模擬信號(hào)方式輸出X、Y、Z三個(gè)方向上的加速度，可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)選擇合適的量程。在賽車(chē)通過(guò)坡道和窄賽道時(shí)，會(huì)在Z方向上產(chǎn)生一個(gè)比較明顯的加速度信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)這個(gè)信號(hào)就可以比較準(zhǔn)確地識(shí)別賽道，從而在通過(guò)時(shí)適當(dāng)減速，確保賽車(chē)能夠安全平穩(wěn)地通過(guò)。去抖動(dòng)電路理想開(kāi)關(guān)在外部敞勵(lì)作用下瞬時(shí)發(fā)生狀態(tài)改變，導(dǎo)通電阻為零，當(dāng)然，這種開(kāi)關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中是找不到的。實(shí)際開(kāi)關(guān)都有一定大小的電阻，通常稱(chēng)之為接觸電阻，阻值隨時(shí)間、開(kāi)關(guān)次數(shù)的增加而變大。新的開(kāi)關(guān)，其接觸電阻范用通常為：50毫歐～100毫歐，具體阻值大小與開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)材料、流過(guò)電流大小、環(huán)境條件及使用場(chǎng)合都有關(guān)系一開(kāi)關(guān)改變開(kāi)、合狀態(tài)時(shí)，都要經(jīng)歷幾個(gè)不穩(wěn)定周期，即“接觸抖動(dòng)”才能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。在開(kāi)關(guān)閉合瞬間會(huì)產(chǎn)生比穩(wěn)態(tài)時(shí)高出2-9倍的浪涌電流，抖動(dòng)現(xiàn)象在開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)，產(chǎn)生的電弧會(huì)導(dǎo)致接觸磨損，增大接觸電阻，降低可靠性。在按下單片機(jī)復(fù)位開(kāi)關(guān)時(shí)，也會(huì)發(fā)生這種情況。因此為復(fù)位開(kāi)關(guān)加上一個(gè)去抖動(dòng)電路顯得很有必要。在經(jīng)過(guò)反復(fù)比較之后，我們選用了MAXIM公司生產(chǎn)的MAX6816芯片，如圖2.10所示；圖2.10去抖動(dòng)電路MAX6816是一個(gè)CMOS開(kāi)關(guān)去抖芯片，直接與SPST開(kāi)關(guān)相連，輸入端內(nèi)部集成了63k上拉電阻，保證開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)提供邏輯高電平輸出信號(hào)，節(jié)省了PCB板面積。閉合開(kāi)關(guān)將使輸出端產(chǎn)生邏輯低電平，直到輸入端穩(wěn)定40ms以上的時(shí)間后，OUT端大的狀態(tài)才改變，消除了開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的影響。由于開(kāi)關(guān)負(fù)載是內(nèi)部一個(gè)63kW的阻性負(fù)載，保證了開(kāi)關(guān)使用壽命。而且，有研究結(jié)果表明，因ESD（靜電釋放）引起的電子器件或系統(tǒng)失效占總失效的比率大約為10%-30%。物體產(chǎn)生靜電的形式多種多樣，比如，兩個(gè)物體相互摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，即通常的摩擦生電。我們所用的賽車(chē)在比賽過(guò)程中會(huì)因?yàn)檩喬ズ蚄T板的摩擦產(chǎn)生很多的靜電。避免ESD損壞必須考慮環(huán)境因素，例如濕度，濕度大可以減少ESD現(xiàn)象，但不能完全杜絕。如果要從根本上解決問(wèn)題，必須在電路中采用某種形式的ESD保護(hù)措施，以防止帶靜電的物體直接或間接碰到系統(tǒng)I/O口線。MAX6816允許的輸入信號(hào)電壓范圍高達(dá)±25V，同時(shí)具有±15KV的ESD保護(hù)能力。它提供的ESD保護(hù)在各種狀態(tài)都發(fā)揮作用，無(wú)論是正常工作期間，還是上電，掉電過(guò)程。采用這種把ESD保護(hù)和開(kāi)關(guān)去抖動(dòng)功能集成一體的器件，能夠大大減小電路板的面積，減少元件數(shù)量，從而提高系統(tǒng)的可靠性，改善系統(tǒng)性能。

圖像采集CCD攝像頭和CMOS攝像頭攝象頭的作用是將通過(guò)鏡頭聚焦于像平面的光線生成圖像，本小節(jié)將主要討論CCD(change-coupleddevice)和CMOS(complementarymetal-oxidesemiconductor）兩種重要的轉(zhuǎn)感器技術(shù)，兩者的主要區(qū)別是從芯片中讀出數(shù)據(jù)的方式即讀出結(jié)構(gòu)不同。CCD傳感器:介紹CCD傳感器為便于理解須從線陣式攝象機(jī)這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)開(kāi)始。此CCD傳感器由一行光線敏感的光電探測(cè)器組成，光電探測(cè)器一般為光柵晶體管或光電二極管。我們的討論不涉及光電探測(cè)器所包含的物理方面的問(wèn)題，我們僅把光電探測(cè)器看成是能將光子轉(zhuǎn)換為電子并將電子轉(zhuǎn)為電流的設(shè)備。每種光電探測(cè)器都有最多可以貯存電子在數(shù)量的限制。常取決于光電探測(cè)器的大小。暴光時(shí)光點(diǎn)探測(cè)器累積電荷，通過(guò)轉(zhuǎn)移門(mén)電路，電荷被移至串行讀出寄存器從而讀出。每個(gè)光電探測(cè)器對(duì)應(yīng)一個(gè)讀出寄存器，讀出過(guò)程是將電荷轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換單元將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，并將電壓放大。轉(zhuǎn)移門(mén)電路及串行讀出電路是電子耦合設(shè)備。每個(gè)CCD最多由4個(gè)門(mén)組成，這些門(mén)在一定方向上傳輸電荷。電荷轉(zhuǎn)換為電壓并放大后，就可以轉(zhuǎn)換為模擬或者數(shù)字視頻信號(hào)。對(duì)于數(shù)字視頻信號(hào)，是由模擬電壓通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓的。線陣傳感器只能生成維數(shù)為1×n的圖像，在實(shí)際中用途有限。因此常通過(guò)多行組合成m×n維圖象。為得到有效圖像，線陣傳感器必須作相對(duì)于物體的運(yùn)動(dòng)，平板掃描儀即是利用此種原理。使用線陣傳感器采集圖像時(shí)，傳感器必須與被測(cè)物體平面平行并與運(yùn)動(dòng)方向垂直以保證得到矩形像素。同時(shí)根據(jù)線陣傳感器的分辨率，線采集必須與攝象機(jī)，被測(cè)物體間相對(duì)速度匹配以得到方形圖像，假設(shè)運(yùn)動(dòng)速度是恒定的，這樣可以保證所有像素采集到的圖像具有一致性。面陣式傳感器，與線陣所不同的是，面陣式傳感器轉(zhuǎn)換完成后的電荷是按行的順序轉(zhuǎn)移到串行讀出電路寄存器，然后與線陣傳感器的方式一樣轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)。在讀出過(guò)程中，光電傳感器還在曝光仍然有電荷在積累。由于上面的像素要經(jīng)過(guò)下面的像素移位移出，因此像素積累的全部場(chǎng)景信息就會(huì)發(fā)生拖影現(xiàn)象。為了避免拖影現(xiàn)象，必須加上閃光燈或者機(jī)械快門(mén)，這是全幀轉(zhuǎn)移性面陣傳感器的最大缺點(diǎn)。為了避免全幀轉(zhuǎn)移型傳感器的拖影問(wèn)題，全幀轉(zhuǎn)移型傳感器加上另外的傳感器用于儲(chǔ)存，在這個(gè)傳感器上覆蓋有金屬光屏蔽層，構(gòu)成幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器。對(duì)于這種類(lèi)型傳感器，圖像產(chǎn)生于光敏傳感器，然后轉(zhuǎn)移至有光屏蔽的存儲(chǔ)陣列，在空閑時(shí)將圖像對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值從存儲(chǔ)陣列讀出。CMOS傳感器:CMOS傳感器通常采用光電二極管作為光電傳感器，與CCD傳感器不同，光電二極管中的電荷不是順序的轉(zhuǎn)移到讀出寄存器，CMOS傳感器的每一行都可以通過(guò)行和列選擇電路直接選擇讀出。在這方面，CMOS傳感器可作為一個(gè)RAM來(lái)使用。CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性使其容易實(shí)現(xiàn)圖像的矩形感興趣區(qū)域讀出的AOI（AreaOfInterest）方式。視頻信號(hào)傳輸格式上文已經(jīng)有所提及，視頻信號(hào)分模擬和數(shù)字信號(hào)兩種，區(qū)別在于攝像頭內(nèi)部是否存在ADC轉(zhuǎn)換芯片并進(jìn)行了AD轉(zhuǎn)換。輸出模擬視頻信號(hào)（AnalogVideoSignals）的模擬式攝像頭內(nèi)部不進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換而直接輸出信號(hào)，數(shù)字式攝像頭恰是內(nèi)部存在ADC轉(zhuǎn)換而輸出數(shù)字視頻信號(hào)（DigitalVideoSignals）。下面分述兩種信號(hào)特點(diǎn)。模擬視頻信號(hào)（AnalogVideoSignals）:模擬視頻標(biāo)準(zhǔn)制定于20世紀(jì)40年代初始。由于該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，制作模擬攝像機(jī)的器件相對(duì)便宜，因此許多攝像機(jī)還是采用模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸。盡管對(duì)于電視機(jī)有多種模擬視頻標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于機(jī)器用視覺(jué)來(lái)說(shuō)，有4種是比較重要的。即是：EIA-170和CCIR（此兩為黑白視頻標(biāo)準(zhǔn)）以及PAL和NTSC制式（此兩為彩色視頻標(biāo)準(zhǔn)）。這幾種標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別在于EIA-170制式和NTSC制式幀率為30Hz，每幅圖像有525行（Line），而CCIR制式和PAL制式幀率為25Hz，每幅圖像有625行。在此4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，每行的傳輸時(shí)間基本相同。在525和625行中，有40或50行有名無(wú)實(shí)，被用作同步信號(hào)來(lái)表示新的一幀的開(kāi)始。EIA-170和NTSC每行中的10.9us以及CCIR和PAL制式中每行的12us也被用作同步信號(hào)。因此EIA-170和NTSC制式的圖像大小為640×480，而CCIR和PAL制式圖像大小為768×576。從以上特征可以看出，每個(gè)像素的采樣時(shí)間大約為82ns和68ns。一幅圖像是以?xún)蓤?chǎng)隔行傳輸?shù)?，?duì)于EIA-170第一場(chǎng)包括所有偶數(shù)行，第二場(chǎng)包括所有奇數(shù)行。對(duì)于CCIR順序先是奇數(shù)行然后是偶數(shù)行。每行都由含有水平同步信息的水平消隱間隔和包含實(shí)際圖像信號(hào)的行有效間隔組成。水平消隱間隔由消隱前肩，水平同步脈沖以及消隱后肩組成。消隱前肩視頻信號(hào)被置為消隱電平，水平同步脈沖時(shí)視頻信號(hào)被置為同步電平。消隱后肩視頻信號(hào)又被置為消隱電平。對(duì)于CCIR消隱前肩和消隱后肩為1.5us和5.8us。消隱前肩的作用是使老式的電視機(jī)的視頻信號(hào)穩(wěn)定下來(lái)，以避免行間串?dāng)_。水平同步脈沖用于表示每行有效信號(hào)的開(kāi)始。消隱后肩的作用是使早期的電視定時(shí)器中較慢的電子器件有時(shí)間相應(yīng)同步脈沖并為有效信號(hào)作好準(zhǔn)備，在有效行周期，信號(hào)在黑白電平之間變化。對(duì)于CCIR黑電平為0%而對(duì)于EIA-170為7.5%。每場(chǎng)都是以幾個(gè)垂直同步脈沖序列開(kāi)始的即存在消隱行，EIA-170存在20個(gè)消隱行，CCIR為25行。數(shù)字視頻信號(hào)（DigitalVideoSingals）:模擬視頻的同步信息是包含在信號(hào)中的，與其相反，數(shù)字視頻的同步信息是分離的（相當(dāng)與一個(gè)模擬視頻攝像頭外加一個(gè)視頻信號(hào)分離芯片），同樣，表示一行持續(xù)時(shí)間的行有效信號(hào)取代了水平同步信號(hào)。對(duì)于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，圖像像素的寬高比與攝像機(jī)的寬高比相同，而且不會(huì)產(chǎn)生列抖動(dòng)。為了生成數(shù)字視頻信號(hào)，攝像機(jī)會(huì)將傳感器輸出的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將產(chǎn)生的數(shù)值串行或并行的的傳輸?shù)綀D像采集卡。圖像采集算法攝像頭采用隔行掃描模式，625行數(shù)據(jù)分為兩場(chǎng)傳輸，每場(chǎng)數(shù)據(jù)前21行為場(chǎng)消隱區(qū)，為無(wú)效數(shù)據(jù)，第22行至第307行為有效數(shù)據(jù)，第307行之后為場(chǎng)消隱區(qū)。其中這285行有效數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出貨單片機(jī)的運(yùn)算能力，并且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)40到60行數(shù)據(jù)已經(jīng)可以滿足要求，最終每隔5行采集一行數(shù)據(jù)，實(shí)際采樣為57行，每行43個(gè)點(diǎn)。為了完成采集工作，我們使用了2個(gè)輸入捕捉端口和一個(gè)AD采集端口，一個(gè)輸入捕捉用于識(shí)別場(chǎng)同步信號(hào)，另一個(gè)用于識(shí)別行同步信號(hào)，AD采集端口用于讀取攝像頭的灰度電平。具體流程如圖3.1：初始化初始化IC0判斷IC0無(wú)場(chǎng)上升沿有開(kāi)啟ic0等待無(wú)行上升沿有開(kāi)啟ATDAD轉(zhuǎn)換未完等待存儲(chǔ)結(jié)果至數(shù)組行下降無(wú)行下降沿有關(guān)AD清L關(guān)IC0和1清計(jì)數(shù)器行第287到達(dá)未到最后采集行行counter++等待不符合條件行符合圖3.1圖像采集流程圖圖像處理算法我們需要的數(shù)據(jù)只有黑色和白色兩種，而圖像采集到以后是以8位灰度表示的，既不直觀又增大了程序的運(yùn)算量，所以我們要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分割。采集到的原始圖像如圖3.2所示：圖3.2原始圖像由于攝像頭是與賽道呈一定角度采集圖像，遠(yuǎn)處的圖像對(duì)比度小而近處的圖像對(duì)比度大，反應(yīng)到圖像上就是上半部分的黑線與賽道灰度相差很小，下半部分相對(duì)較大，所以在進(jìn)行閾值分割的時(shí)候需要選取不同閾值進(jìn)行分割。閾值分割有動(dòng)態(tài)閾值分割和靜態(tài)閾值分割兩種方法。動(dòng)態(tài)閾值是指將整行或整幅數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到一個(gè)平均值，作為閾值分割的分割點(diǎn)。靜態(tài)閾值是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得一個(gè)符合閾值分割的值，作為分割點(diǎn)。動(dòng)態(tài)閾值與靜態(tài)閾值相比有光線適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也增大了程序的運(yùn)算量，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。經(jīng)過(guò)考慮，我們選取了帶有自動(dòng)白平衡功能的CMOS攝像頭，既提高了對(duì)光線的適應(yīng)性又降低了程序運(yùn)算量。閾值分割程序如下：voidzero(){//閾值分割intm,n;for(m=0;m<17;m++){//距離小車(chē)較遠(yuǎn)的17行for(n=0;n<43;n++){if((result[m][n]<42)){//對(duì)比度較低處閾值分割點(diǎn)result[m][n]=0x01;}elseresult[m][n]=0x00;}}for(m=170;m<57;m++){距離小車(chē)較近的40行for(n=0;n<43;n++){if(result[m][n]<35){//對(duì)比度較高處閾值分割點(diǎn)result[m][n]=0x01;}elseresult[m][n]=0x00;}}}閾值分割結(jié)果如圖3.3：圖3.3閾值分割后的圖像根生長(zhǎng)法黑線軌跡提取閾值分割雖然可以清晰的分辨出賽道軌跡，但是并不能有效的去除干擾，賽道上的灰塵、反光、凹凸等因素引起的干擾依然會(huì)被保留下來(lái)，做整幅圖像濾波又會(huì)耗費(fèi)大量的資源和時(shí)間。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)賽道軌跡連續(xù)性去除干擾可以達(dá)到高效、準(zhǔn)確的提取賽道有效信息的目的。我們采用根生長(zhǎng)法來(lái)提取賽道軌跡信息。根生長(zhǎng)法是指以最靠近小車(chē)部分的圖像（這部分圖像距離攝像頭的距離最近，對(duì)比度最高，也最可靠）為依據(jù)逐行向上查找，以最靠近上一行的黑點(diǎn)作為軌跡繼續(xù)查找，直到有超過(guò)兩行沒(méi)有黑點(diǎn)時(shí)停止查找。雖然最靠近小車(chē)的一行是整幅圖像中最可靠的部分，但是還是有可能出現(xiàn)干擾信息，所以我們存儲(chǔ)了所有出現(xiàn)在最后一行的黑點(diǎn)，對(duì)每一個(gè)黑點(diǎn)進(jìn)行根生長(zhǎng)查找，取黑線長(zhǎng)度最長(zhǎng)的一條作為可靠信息，這樣進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，我們也考慮到了最靠近小車(chē)的一行沒(méi)有黑點(diǎn)的情況，這種情況在經(jīng)過(guò)彎道的時(shí)候非常普遍。當(dāng)最靠近小車(chē)的一行沒(méi)有黑點(diǎn)時(shí)，將繼續(xù)向上搜索10行，直到有一行出現(xiàn)黑點(diǎn)為止，如果仍然沒(méi)有黑點(diǎn)，則采用上一場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，保證萬(wàn)無(wú)一失。黑線軌跡提取程序如下：voidfind_lastline_point(intk){//搜索到第k行intcnt,n,p,sum,bk,sum_point;//cnt黑點(diǎn)計(jì)數(shù)器，bk斷點(diǎn)ucharm,mid;intleft_p,right_p;p=0;sum=0;bk=0;cnt=0;x_line=0;left_p=bottom_cp.b-20;//左側(cè)搜索范圍限幅right_p=bottom_cp.b+20;//右側(cè)搜索范圍限幅if(left_p<0)left_p=0;//數(shù)組邊界檢測(cè)if(right_p>wide)right_p=wide;for(m=height-1;m>k;m--){sum_point=0;for(n=left_p;n<right_p;n++){if(result[m][n]==0x01){sum_point++;cnt++;sum+=n;}else{if(cnt>0&&cnt<7){mid=(uchar)(sum/cnt);result[m][mid]=0x02;lastline_point[bk].a=m;lastline_point[bk].b=mid;save_bl[bk][m]=mid;//記錄黑線的坐標(biāo)bk++;}cnt=0;sum=0;}}if(cnt>0&&cnt<7){mid=(uchar)(sum/cnt);result[m][mid]=0x02;lastline_point[bk].a=m;lastline_point[bk].b=mid;bk++;cnt=0;sum=0;}if(sum_point>15){x_line=m;continue;}if(bk!=0){point_num=bk;break;}}}

道路類(lèi)型識(shí)別及決策與控制常見(jiàn)的有幾種路況，比如直道、彎道、蛇形彎道（S形彎道）、圓環(huán)形彎道等。把這些路況識(shí)別出來(lái)將有利于我們?cè)诓煌牡缆非闆r下決策循跡車(chē)的轉(zhuǎn)向以及速度情況。這一步是十分有必要的，因?yàn)槁窂阶R(shí)別的結(jié)果是直接和控制相關(guān)聯(lián)的。錯(cuò)誤的識(shí)別會(huì)直接導(dǎo)致錯(cuò)誤的控制，最終導(dǎo)致循跡車(chē)不能完成指定任務(wù)。直道識(shí)別直道是一種看似簡(jiǎn)單但識(shí)別困難的道路類(lèi)型，在車(chē)身正對(duì)賽道的時(shí)候采集到的圖像為一條直線，此時(shí)只要判斷每一行黑線對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即可識(shí)別出此賽道類(lèi)型，但是此方法不具有通用性，只要車(chē)身與賽道稍有角度就無(wú)法識(shí)別，所以我們更改了識(shí)別方式，嘗試采用直線擬合來(lái)識(shí)別直線。圖4.1直道圖4.2傾斜的直道我們利用記錄著每行黑線中心位置的數(shù)組來(lái)完成基于直線擬合的識(shí)別。利用數(shù)組的首個(gè)元素和最末一個(gè)元素來(lái)作直線擬合。計(jì)算出兩點(diǎn)間連線的斜率，采用點(diǎn)斜式寫(xiě)出直線擬合公式。然后我們要作的工作就是記錄下每行黑線中心到所擬合的垂直距離，并記錄下其中的最值。這兩個(gè)最值是識(shí)別賽道的重要參數(shù)。計(jì)算公式如下：；(4.1)；(4.2)(4.3)其中：表示數(shù)組首末兩點(diǎn)間連線斜率；表示圖像中的傾斜角度；表示擬合的直線公式；表示某行黑線中心到該擬合直線的橫向距離；表示某行黑線中心到該擬合直線的垂直距離。經(jīng)過(guò)測(cè)試，直線擬合得到的直線斜率和擬合偏差可以大致表征路徑的趨勢(shì)和類(lèi)型，但是識(shí)別精度低，幾種賽道類(lèi)型之間沒(méi)有明顯界限，混淆嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤的情況，再加之單片機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算能力有限，計(jì)算直線擬合的時(shí)間嚴(yán)重增加了系統(tǒng)滯后量，所以我們放棄了這種做法。最終我簡(jiǎn)化了算法，對(duì)黑線橫坐標(biāo)每隔4行做差，經(jīng)過(guò)一次運(yùn)算后得到的數(shù)值表征了黑線的斜率，再進(jìn)行一次運(yùn)算后得到的數(shù)值表征的是斜率變化率，當(dāng)斜率變化率基本為0時(shí)表示黑線為直線，同時(shí)又以黑線最前端相對(duì)于車(chē)身中央的偏差和黑線的長(zhǎng)度作為參考依據(jù)，當(dāng)黑線偏差小10個(gè)像素，長(zhǎng)度超過(guò)30個(gè)像素時(shí)確定賽道類(lèi)型為直道。這種方法既減少了運(yùn)算量又提高識(shí)別可靠性，即使車(chē)身與賽道呈一定角度依然可以識(shí)別直道。計(jì)算斜率的程序如下：voidcal_slope(){//計(jì)算斜率intm,cnt;cnt=0;if(bottom_cp.a-top_cp.a>4){for(m=bottom_cp.a;m>top_cp.a+4;m--){if((save_bl[black_line_sn][m]!=0)&&(save_bl[black_line_sn][m-4]!=0)){save_slope[cnt]=save_bl[black_line_sn][m-4]-save_bl[black_line_sn][m];cnt++;}}}slope_cnt=cnt;}彎道識(shí)別彎道識(shí)別相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，但是種類(lèi)較多，其中包括普通彎道、內(nèi)彎道、外彎道。普通彎道：黑線位于車(chē)身中心，圖像特征表現(xiàn)為下半部黑線相對(duì)中心偏差較小，上半部靠近圖像邊緣，黑線總長(zhǎng)度較長(zhǎng)。如圖4.3所示：圖4.3彎道內(nèi)彎道：黑線距車(chē)身中心較遠(yuǎn)，圖像特征表現(xiàn)為黑線從左至右或從右至左橫跨圖片，圖片的最后幾行沒(méi)有黑線。如圖4.4所示：圖4.4內(nèi)側(cè)彎道外彎道：車(chē)身處于彎道之外，圖像特征表現(xiàn)為黑線在圖片的左下角或右下角，黑線長(zhǎng)度較短。如圖4.5所示：圖4.5外側(cè)彎道另外，當(dāng)黑線從圖像上消失的時(shí)候也可以當(dāng)成是彎道。以上幾種賽道類(lèi)型都具有一個(gè)共同的特征，那就是黑線最前端的橫坐標(biāo)距離中心較遠(yuǎn)，只需要判斷黑線做前端橫坐標(biāo)距離中心的偏差，再輔以黑線最前端的縱坐標(biāo)和黑線最底端的橫坐標(biāo)，就可以區(qū)分出以上幾種賽道類(lèi)型。程序如下：if(none_straight_flag==1){//判斷彎道if(((top_cp.b-wide/2>15)||(bottom_cp.a-top_cp.a<10)){//判斷最前端黑線橫坐標(biāo)黑線長(zhǎng)度road_type=2;//判斷為彎道PORTB=0XC3;//小燈指示判斷結(jié)果gotorecongnize_over;//跳轉(zhuǎn)到識(shí)識(shí)別程序末尾}}小S道識(shí)別小S道具有明顯特征，無(wú)論是否正對(duì)小S道，黑線都會(huì)有向左和向右的突起，只要識(shí)別出一個(gè)橫坐標(biāo)的極大值和一個(gè)極小值就可以判斷為小S道。在實(shí)際測(cè)試當(dāng)中，圖像并不能達(dá)到如此理想的狀態(tài)，經(jīng)常出現(xiàn)干擾信息，再加上圖片分辨率較低，黑線并不是十分平滑，導(dǎo)致程序誤識(shí)別極大值和極小值，為了增強(qiáng)小車(chē)的穩(wěn)定性，最后設(shè)定之別極大值和極小值的數(shù)量總和超過(guò)3個(gè)時(shí)為小s道路，在實(shí)際測(cè)試當(dāng)中取得了較好效果。圖4.6小S型彎道程序如下：for(m=1;m<slope_cnt;m++){//判斷是否有回彎，最后一個(gè)燈亮if(save_slope[m]!=0){ cnt=0;temp2=temp1;temp1=save_slope[m];//當(dāng)黑線一階導(dǎo)數(shù)相鄰點(diǎn)乘積為負(fù)時(shí)代表有極大值if((temp2!=0)&&(temp1*temp2<0))swan++;}else{cnt++;//if(cnt>5)temp1=0;}if(swan>3){//判斷極大值和極小值數(shù)量和road_type=4;PORTB=0X7F;gotorecongnize_over;}}大S道識(shí)別大S道無(wú)論在長(zhǎng)度上還是在寬度上都超過(guò)了攝像頭的視野范圍，所以在圖像識(shí)別上只能認(rèn)為是彎道，圖像不再列舉。方向決策與控制轉(zhuǎn)向控制決策的主要依據(jù)就在于要使得循跡車(chē)以最短路徑通過(guò)指定道路。所以我們?cè)跍?zhǔn)確識(shí)別路況的基礎(chǔ)上采用建立規(guī)則變PID參數(shù)，使其達(dá)到理想的循跡效果。PID算法數(shù)字PID控制系統(tǒng)：(4.4)式中：稱(chēng)為比例項(xiàng)；稱(chēng)為積分項(xiàng)；稱(chēng)為微分項(xiàng)。我們常用的PID控制方式，P控制算式：；PI控制：；PD控制：；PID控制：；PID算法存在兩種類(lèi)型。位置型控制算式：(4.5)增量型控制算式：(4.6)PID算法的程序流程，如圖4.7所示：圖4.7PID算法流程由于小車(chē)的轉(zhuǎn)向的控制不需要根據(jù)上次的位置做出決策，所以位置式PID更合適，PID的三個(gè)環(huán)節(jié)中，積分環(huán)節(jié)會(huì)減緩動(dòng)作執(zhí)行，而轉(zhuǎn)向控制是越迅速越好，所以最終我們使用位置式PD算法作為控制算法，具體運(yùn)算公式如下：e2=e1;e1=(rudder_cp.b-21);pwm_rudder=centre-(rudder_kp*e1+rudder_kd*(e1-e2));其中e1為本次偏差，e2為上次偏差，rudder_kp為p參數(shù)大小，rudder_kd為d參數(shù)大小，centre為舵機(jī)中心值標(biāo)定。其中rudder_kp參數(shù)由攝像頭橫向最大分辨率和舵機(jī)最大轉(zhuǎn)角決定，用舵機(jī)最大轉(zhuǎn)角PWM控制信號(hào)與中心值PWM的差，除以橫向最大分辨率的一半，得到的就是rudder_kp，rudder_kd則在實(shí)際測(cè)試時(shí)由0慢慢調(diào)大，由于rudder_kd參數(shù)只是幫助小車(chē)加速轉(zhuǎn)彎，只要稍加一點(diǎn)起到輔助作用即可，如果過(guò)大則會(huì)影響小車(chē)正常行駛。速度決策與控制速度采集的傳感器采用對(duì)射式的光電管以及光柵碼盤(pán)，當(dāng)一個(gè)柵到來(lái)時(shí)光電管產(chǎn)生低電平，柵過(guò)去時(shí)產(chǎn)生高電平。根據(jù)循跡車(chē)輪轉(zhuǎn)速的不同，形成頻率不同的方波波形。利用輸入捕捉口來(lái)捕捉相鄰兩柵過(guò)去時(shí)的上升沿信號(hào)，在第一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，利用輸入捕捉模塊捕捉當(dāng)時(shí)自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器TCNT的值，在第二個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)保存第二次自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器TCNT的值，然后根據(jù)這兩次的數(shù)之差計(jì)算出兩個(gè)上升沿之間走過(guò)的單片機(jī)周期數(shù)，經(jīng)過(guò)換算可以得到兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間，然后根據(jù)輪子轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)計(jì)算出小車(chē)的速度。由于MC9S12DG128單片機(jī)具有輸入緩存功能，所以可以同時(shí)記錄兩次邊沿跳變時(shí)自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器TCNT的值，所以可以無(wú)中斷測(cè)速，隨時(shí)可讀，使程序時(shí)序更加清晰。具體測(cè)速程序如下：voidcal_speed(){staticunsignedinttemp_tc,temp_tch;temp_tc=TC2;//這次脈沖的值temp_tch=TC2H;//讀取上次脈沖的值if((temp_tc!=temp_tch))//避免在鎖存的同時(shí)計(jì)算speed=(int)(61061/(temp_tc-temp_tch));//兩齒之間是0.195cm,40M的時(shí)候是61061,32M是48848}速度控制采用傳統(tǒng)的位置式PID控制，其PID程序如下：PartP=Kp1*e2;PartI=Ki*(PartI+e2);PartD=Kd*(e2-e1);Output=PartP+PartI+PartD;速度的給定值，根據(jù)不同的路徑給定不同的速度，直道速度最大，小S道次之，彎道最小。

系統(tǒng)調(diào)試軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境CodeWarrior是由Metrowerks公司提供的專(zhuān)門(mén)面向Freescale所有MCU與DSP嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件工具。其中包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專(zhuān)家、全芯片仿真、可視化參數(shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。賽車(chē)開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程最常用的是集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE和調(diào)試器。5.1.1CodeWarriorIDE通過(guò)CodeWarriorIDE你可以選擇C或C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，然后進(jìn)行編譯、鏈接和調(diào)試。通過(guò)BDM頭，你可以把程序燒入單片機(jī)，還可以進(jìn)行在線調(diào)試。CodeWarriorIDE使用方便且功能強(qiáng)大，是賽車(chē)開(kāi)發(fā)調(diào)試必不可少的工具。要進(jìn)行軟件編程，必須先在CodeWarriorIDE中建立一個(gè)新的工程，然后才能輸入代碼，進(jìn)行編譯鏈接最終寫(xiě)入單片機(jī)中。打開(kāi)CodeWarrior，然后單擊“File—>New”，再根據(jù)向?qū)崾据斎胂嚓P(guān)信息，就能建立一個(gè)新的工程。CodeWarrior運(yùn)行界面如圖5.1所示。圖5.1CodeWarriorIDE5.1.2調(diào)試器CodeWarriorIDE中的調(diào)試器不僅可以進(jìn)行在線調(diào)試，還可以進(jìn)行在線的仿真。在調(diào)試器中，我們可以看到定義的全局變量的變化和各個(gè)寄存器的當(dāng)前值，還可以看到單片機(jī)內(nèi)存中內(nèi)容等。此外，還有許多其他的實(shí)用功能，在賽車(chē)的調(diào)試過(guò)程中使用很是方便有效。具體調(diào)試器界面如圖5.2所示。圖5.2CodeWarriorIDE調(diào)試器輔助調(diào)試工具在賽車(chē)的調(diào)試過(guò)程中，使用一些輔助工具也是很有必要的。5.2.1LED指示燈通過(guò)在單片機(jī)內(nèi)程序來(lái)控制LED指示燈的亮滅來(lái)達(dá)到顯示某種或傳遞某種信息的目的，從而了解單片機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，達(dá)到調(diào)試的目的。這是比較直觀，且簡(jiǎn)易可行的方法。我們?cè)O(shè)置了8個(gè)LED燈，通過(guò)單片機(jī)PORTB口控制，如圖5.3所示：圖5.3調(diào)試小燈5.2.2撥碼開(kāi)關(guān)賽車(chē)調(diào)試過(guò)程中，可以在程序里面設(shè)置，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行參數(shù)的選擇，每寫(xiě)完一次程序，就可以進(jìn)行不同參數(shù)的調(diào)試。要不每次測(cè)試都得重寫(xiě)一遍程序，比較麻煩。在比賽時(shí)同樣可針賽道情況而設(shè)定不同的車(chē)速和參數(shù)，從而能取得更好的成績(jī)。我們采用PORTA口做8位撥碼開(kāi)關(guān)的輸入口。如圖5.4所示。圖5.4撥碼開(kāi)關(guān)5.2.3無(wú)線調(diào)試模塊小車(chē)調(diào)試過(guò)程中，我們無(wú)法用BDM頭進(jìn)行參數(shù)和寄存器數(shù)值的讀取。若通過(guò)串口利用無(wú)線發(fā)送便能使調(diào)試變的更加方便和透明。通過(guò)無(wú)線模塊，我們可以實(shí)時(shí)的觀看各種運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)。我們使用的是北京華容匯通訊WAP200B系列微功率無(wú)線數(shù)傳模塊，如下圖所示。它有高抗干擾能力和低誤碼率、傳輸距離遠(yuǎn)；高可靠性，體積小、重量輕；智能數(shù)據(jù)控制，用戶(hù)無(wú)需編制多余的程序就能在空中自動(dòng)完成空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換，控制等操作等優(yōu)點(diǎn)。圖5.5無(wú)線串口5.2.4示波器在小車(chē)的開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程中，難免要對(duì)各種波形的頻率，周期等進(jìn)行測(cè)量，示波器就是一個(gè)很好的工具。

結(jié)論本文主要介紹以CMOS攝像頭為路徑探測(cè)傳感器的循跡車(chē)的圖像采集與處理算法以及循跡車(chē)的控制算法，完成以下幾方面的工作：（1）采用MC9S12DG128的輸入捕捉IC模塊中斷以及ATD模塊完成了圖像的采集，然后對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像進(jìn)行處理。（2）采用根生長(zhǎng)法提取目標(biāo)黑線，并在提取了目標(biāo)黑線的基礎(chǔ)上通過(guò)特征提取算法分辨道路類(lèi)型來(lái)完成循跡車(chē)的路徑識(shí)別。（3）在循跡車(chē)的控制方法上，采用變參數(shù)的PID控制算法，以便使循跡車(chē)以最短路徑通過(guò)賽道。此外上述所做工作中還存在以下問(wèn)題未能很好的解決：系統(tǒng)滯后嚴(yán)重，導(dǎo)致小車(chē)提速困難。圖像分辨率較低，給道路類(lèi)型識(shí)別和方向速度控制帶來(lái)困難。控制算法參數(shù)調(diào)整不佳。

致謝在準(zhǔn)備競(jìng)賽的過(guò)程中中，在場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)方面都得到了學(xué)校的大力支持，在此感謝一直支持和關(guān)注智能車(chē)比賽的學(xué)校的領(lǐng)導(dǎo)以及各位老師，特別要感謝自動(dòng)化工程系馬淑華老師對(duì)我們的悉心指導(dǎo)，感謝校長(zhǎng)汪晉寬老師對(duì)我們的大力支持。同時(shí)也感謝比賽組委會(huì)能組織這樣一項(xiàng)很有意義的比賽。同時(shí)要感謝我們一起努力工作的周浩，姚芳，蔡文舟，趙青鶴，王凱華等學(xué)長(zhǎng)，還有翁寧龍，薛常亮，劉慧等組員的共同努力。本論文的構(gòu)思、規(guī)劃設(shè)計(jì)、撰寫(xiě)得到了馬淑華老師的悉心指導(dǎo)，在論文設(shè)計(jì)時(shí)給予熱心的指導(dǎo)與幫助，她廣博的學(xué)術(shù)知識(shí)、敏銳的學(xué)術(shù)洞察力、認(rèn)真的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、平易近人的為人風(fēng)格給予我深刻的印象，使我受益匪淺。在此向馬

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附錄附錄AImprovingPIDControllerPerformanceOverviewProportionalintegralderivative(PID)controlisthemostcommonlyusedcontrolalgorithmintheindustrytoday.PIDcontrollerpopularitycanbeattributedtothecontroller’seffectivenessinawiderangeofoperationconditions,itsfunctionalsimplicity,andtheeasewithwhichengineerscanimplementitusingcurrentcomputertechnology.ThispapercoverssomeofthePIDdrawbacksandhowtoresolvethemwhileimprovingperformanceincurrentimplementationsthroughchangesinthealgorithm.IntroductionPIDcontrollershavesomedrawbacksthatlimittheireffectiveness.Tostartwith,theyworkbestwithsystemsthathaveonlyoneinputandoutput(singleinput,singleoutput#SISO).Withthesesystems,youhaveonlyonevariabletocontrolandonlyoneactuationtoapply.Youalsocancontrolsystemsthathavemoreinputs/outputswithPIDcontrollersifyouapplydecouplingtechniquestothedifferentvariablessothefinaloverallcontrolinvolvesanumberofSISOPIDcontrollers.Althoughpossible,thistechniqueisnoteasilyimplementedbecauseitdependsheavilyonhowtightthecorrelationbetweenthevariablesis.AnotherchallengeforPIDcontrollers(andforeverycontrolalgorithm)isthattheplantyouneedtocontrolmightnotbehaveinalinearfashion.Inotherwords,theoutputforagiveninputdoesnotexhibitalinearresponse.Someexamplesofnonlinearityaredeadzones,saturations,andhysteresis.Anotherchallengeisthatplantdynamicsmightalsochangeovertime.Thiscanhappenduetochangesontheplantloads,normalwearandtear,ormechanicaleffectivenessinmechanicalelements.Tocompensateforplantbehaviorchangingovertime,youneedexpertuserstorecalibrateyourPIDgains,whichdrivesupcostsforbothlaboranddowntime.Lastly,whentuningPIDcontrollers,youmightnotachieveoptimaloverallsystemperformancebecause